CN101086025B - 植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于生物能源和绿色化工领域的一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺及其装置。在多对阴离子交换膜、阳离子交换膜交替组成的电渗析器中，在直流电场作用下，植物纤维原料经切削、除尘后以一定的液固比进行酸水解，酸水解液中的阴离子透过阴膜向阳极方向迁移而进入浓室，受到阳膜阻挡留在浓室中。同理，水解液中的阳离子透过阳膜向阴极方向迁移后也进入浓室，受到阴膜阻挡被截留在浓室中。于是，淡室中的酸得以脱除。该方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它离子状态杂质，能够大大降低产品的损失率并回收水解液中酸，本工艺设备简单，脱毒处理效果好，易于控制、成本较低，因此具有很好的工业化前景。
Description
技术领域
本发明属于生物能源和绿色化工领域，特别涉及一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺。
背景技术
木质纤维素是自然界中分布最广，含量最丰富的有机物。木质纤维素综合利用的一个有效途径是将其转化为可发酵糖，进而转化为其他附加值较高的产物，如乙醇、木糖醇和其它有机酸物质。将木质纤维素原料用0.5-7％左右的酸液在80-120℃的高温下经几个小时的处理是人们较常采用半纤维素稀酸处理方法。稀酸处理效率较高，在温度高时所需时间较短，处理后半纤维素水解成单糖溶入水解液，木质素量不变，纤维素的平均聚合度下降，其酶反应能力增大。
但在酸处理所得处理液中，除含有可发酵糖外，还含有醋酸、糠醛、5-羟甲基糠醛等发酵抑制物，由于这些抑制物的存在，酸处理液不用直接用于发酵，必须经过脱毒处理。在水解液脱毒方面，人们尝试了用石灰乳中和、有机溶剂萃取、活性炭吸附、真空浓缩和离子交换等多种脱毒方法除去发酵抑制物，在改善水解液发酵性能，提高产品得率方面取得了一定的成果。但这些方法一个共有的问题是脱毒过程中还原糖损失大，水解液中酸无法回收。如文献1)酿酒，2005，32(3)：41-42中，刘远洋，申德超，“关于纤维素原料生产燃料酒精预处理工艺的一些探讨”；文献2)Parajo JC，Dominguez H，Dominguez JM.Xylitol productionfrom eucalyptus wood hydrolysates extracted with organic solvents.Proc.Biochem.，1997，32(7)：599-604.文献3)Parajo JC，Dominguez H，DominguezJM.Charcoal adsorption of wood hydrolysates for improving theirfermentability：influence of the operational conditions.Biores.Technol.，1996，57：179-185.文献4)Wilson JJ，Deschatelets L，NishikawaN.Comparative fermentability of enzymatic and acid hydrolysates ofsteam-pretreated aspenwood hemicellulose by Pichia stipitis CBS5776.Appl.Microbiol.Biotechnol.，1989，31：592-596.文献5)Van Zyl C，Prior BA，Du Preez JC.Acetic acid inhibition of D-xylose fermentationby Pichia stipitis.Enzyme Microb.Technol.，1991，13：82-86.
电渗析技术是分离电解质与非电解质的有效方法之一，在海水淡化、淡水纯水等方面的应用已经十分成熟，该方法在应用中不会造成环境污染，并且成本较为低廉，近年还有将电渗析技术用于发酵液脱盐后处理的报道，但对电渗析用于木质纤维素中半纤维素酸水解液脱毒工艺，国内外还未有研究报道。
发明内容
本发明的目的是针对木质纤维素酸水解液的特点，提出一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺及其装置，其特征在于，所述植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒装置是电渗析器1两端连接直流稳压电源2正负极、安培表3串联在直流稳压电源2的正端，电渗析器1的浓室进口11、流量计9A、泵8A、浓室罐4和浓室出口12串联成浓酸水解液循环回路；阴极室罐5通过泵8B、流量计9B串联后跨接在电渗析器1左边的阴离子交换膜A的进、出口端；阳极室罐6通过泵8C、流量计9C串联后跨接在电渗析器1右边的阳离子交换膜C的进、出口端；电渗析器1的淡室进口10、流量计9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串联成淡酸水解液循环回路；其中，电渗析器1是常规电渗析器，由10对阴离子交换膜A、阳离子交换膜C(单膜面积：100×300mm2-400×1600mm2)交替组成。
所述植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺为在直流电场作用下，酸水解液中的阴离子透过阴膜向阳极方向迁移而进入浓室，受到阳膜阻挡留在浓室中。同理，水解液中的阳离子透过阳膜向阴极方向迁移后也进入浓室，受到阴膜阻挡被截留在浓室中。于是，淡室中的酸得以脱除。由于糖为非电解质，不会在电场下发生迁移，因此原则上会保留在淡室中。该方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它离子状态杂质，能够大大降低产品的损失率并回收水解液中酸。
具体工艺步骤如下：
(1)植物纤维原料经切削、除尘、粉碎至20～40目，加入酸浓度为0.01％～7％的酸溶液中，溶液与植物纤维原料的液同比为5∶1～20∶1；
(2)升温至80℃～120℃，并保持该温度2～10小时；
(3)将以上所得液固混合物过滤，所得液相成份取1L加入淡室罐7中；在浓室罐4中加入浓度为0.01mol/L酸溶液1L，在阴极室罐5内加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐6中加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L；
(4)开启泵8A-8D，使浓室、淡室、阳极室、阴极室溶液在电渗析器1中循环，调节流量计9A-9B，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到40-70L/h，循环10分钟；
(5)打开、调节直流电源2，使单膜对电压为0.5-1.5V，电渗析器开始工作；
(6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源2，关闭泵8A-8D，浓室中酸经浓缩后回用于第一步。
所用的植物纤维原料为秸秆、甘蔗渣、麦秆或高粱秆。
所述酸为硫酸、盐酸或醋酸。
本发明的有益效果是：该预处理工艺与传统的预处理相比，工艺设备简单，脱毒效果好，可除去水解过程中产生的绝大部分醋酸，同时还原糖损失很小，另外，本工艺易于控制、减少了生产成本，而且，预处理液中酸可以回收利用，降低环境污染，易于工业化应用。
附图说明
图1为本发明所使用的电渗析器的工作示意图。
具体实施方式
本发明针对木质纤维素酸水解液的特点，提出一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺及其装置，
图1为本发明所使用的电渗析器的工作示意图。所述植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒工艺为在直流电场作用下，酸水解液中的阴离子透过阴膜向阳极方向迁移而进入浓室，受到阳膜阻挡留在浓室中。同理，水解液中的阳离子透过阳膜向阴极方向迁移后也进入浓室，受到阴膜阻挡被截留在浓室中。于是，淡室中的酸得以脱除。由于糖为非电解质，不会在电场下发生迁移，因此原则上会保留在淡室中。该方法能有效的去除酸水解液中的酸及其它离子状态杂质，能够大大降低产品的损失率并回收水解液中酸。其所用的植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒装置的构成为电渗析器1两端连接直流稳压电源2正负极、安培表3串联在直流稳压电源2的正端、电渗析器1的浓室进口11、流量计9A、泵8A、浓室罐4和浓室出口12串联成浓酸水解液循环同路；阴极室罐5通过泵8B、流量计9B串联后跨接在电渗析器1左边的阴离子交换膜A的进、出口端；阳极室罐6通过泵8C、流量计9C串联后跨接在电渗析器1右边的阳离子交换膜C的进、出口端；电渗析器1的淡室进口10、流量计9D、泵8D、淡室罐7和淡室出口13串联成浓酸水解液循环回路；其中，电渗析器1是常规电渗析器，由10对阴离子交换膜A、阳离子交换膜C(单膜面积：100×300mm2-400×1600mm2)交替组成，本发明采用的是北京环宇利达环保设备公司的耐强酸、强碱的均相离子交换膜。
实施例1
秸秆经切削、除尘、粉碎至40目，加入酸浓度为7％的硫酸溶液中，溶液与植物纤维原料的液固比为5∶1；
(2)升温至120℃，并保持该温度2小时。
(3)将以上所得液固混合物过滤，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在浓室罐4中加入浓度为0.01mol/L硫酸溶液1L，在阴极室罐加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)开启泵8A-8D，使浓室、淡室中溶液在电渗析器1中循环，调节流量计，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到设定值40L/h，循环10分钟。
(5)打开直流电源，调节使单膜对电压为0.5V，电渗析器开始工作。
(6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源2，关闭泵。过程中酸回收率为90％，总还原糖损失低于5％。
实施例2
甘蔗渣经切削、除尘、粉碎至40目，加入酸浓度为0.5％的盐酸溶液中，溶液与植物纤维原料的液固比为20∶1；
(2)升温至80℃，并保持该温度10小时。
(3)将以上所得液固混合物过滤，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在浓室罐4中加入浓度为0.01mol/L盐酸溶液1L，在阴极室罐加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)开启泵8A-8D，使浓室、淡室、溶液在电渗析器1中循环，调节流量计，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到70L/h，循环10分钟。
(5)打开直流电源2，单膜对电压调节为1.5V，电渗析器开始工作。
(6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源2，关闭泵。过程中酸回收率为92％，总还原糖损失低于5％。
实施例3
麦秆经切削、除尘、粉碎至40目，加入酸浓度为0.65％的醋酸溶液中，溶液与植物纤维原料的液固比为15∶1；
(2)升温至100℃，并保持该温度6小时。
(3)将以上所得液固混合物过滤，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在浓室罐4中加入浓度为0.01mol/L盐酸溶液1L，在阴极室罐加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)开启泵8A-8D，使浓室、淡室、溶液在电渗析器1中循环，调节流量计，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到70L/h，循环10分钟。
(5)打开直流电源2，单膜对电压调节为1.5V，电渗析器开始工作。
(6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源2，关闭泵。过程中酸回收率为95％，总还原糖损失低于5％。
实施例4
高粱秆经切削、除尘、粉碎至40目，加入盐酸使溶液中酸浓度为0.55％，溶液与植物纤维原料的液固比为10∶1；
(2)升温至110℃，并保持该温度8小时。
(3)将以上所得液固混合物过滤，在淡室罐7中加入酸水解液1L；在浓室罐4中加入浓度为0.01mol/L盐酸溶液1L，在阴极室罐加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L。
(4)开启泵8A-8D，使浓室、淡室、溶液在电渗析器1中循环，调节流量计，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到70L/h，循环10分钟。
(5)打开直流电源2，单膜对电压调节为1.5V，电渗析器开始工作。
(6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源2，关闭泵。过程中酸回收率为93％，总还原糖损失低于5％。
Claims (4)
1.一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒装置，由电渗析器(1)两端连接直流稳压电源(2)正负极、安培表(3)串联在直流稳压电源(2)的正端组成，其特征在于，电渗析器(1)由10对阴离子交换膜(A)、阳离子交换膜(C)交替组成；所述电渗析器(1)的浓室进口(11)、流量计(9A)、泵(8A)、浓室罐(4)和浓室出口(12)串联，成浓酸水解液循环回路；阴极室罐(5)通过泵(8B)、流量计(9B)串联后跨接在电渗析器(1)左边的阴离子交换膜(A)的进、出口端；阳极室罐(6)通过泵(8C)、流量计(9C)串联后跨接在电渗析器(1)右边的阳离子交换膜(C)的进、出口端；电渗析器(1)的淡室进口(10)、流量计(9D)、泵(8D)、淡室罐(7)和淡室出口(13)串联成淡酸水解液循环回路。
2.一种植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
1)植物纤维原料经切削、除尘、粉碎至20～40目，加入酸浓度为0.01％～7％的酸溶液中，溶液与植物纤维原料的液固比为5∶1～20∶1；
2)升温至80℃～120℃，并保持该温度2～10小时；
3)将以上所得液固混合物过滤，所得液相成份取1L加入淡室罐(7)中；在浓室罐(4)中加入浓度为0.01mol/L酸溶液1L，在阴极室罐(5)内加入浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液0.75L；在阳极室罐(6)中加入浓度为0.05mol/L硫酸溶液0.75L；
4)开启泵(8A、8B、8C、8D)，使浓室、淡室、阳极室、阴极室溶液在电渗析器(1)中循环，调节流量计(9A、9B)，使浓室、淡室、阳极室、阴极室中溶液流速达到40-70L/h，循环10分钟；
1
5)打开、调节直流电源(2)，使单膜对电压为0.5-1.5V，电渗析器开始工作；
6)当淡室pH值升至3时，关闭直流电源(2)，关闭泵(8A、8B、8C、8D)，浓室中酸经浓缩后回用于步骤1)。
3.根据权利要求2所述植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒方法，其特征在于，所用的植物纤维原料为秸秆、甘蔗渣、麦秆或高粱秆。
4.根据权利要求2所述植物纤维原料酸水解液电渗析脱毒方法，其特征在于，所述酸为硫酸、盐酸或醋酸。
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